TRANSISTORESUn transistor es un dispositivo electrónico que restringe o permite el flujo de corriente eléctrica entre dos contactos según la presencia o ausencia de corriente en un tercero.
Puede entenderse como una resistencia variable entre dos puntos, cuyo valor es controlado mediante la aplicación de una determinada corriente sobre un tercer punto.
Existen dos categorías de transistores según su tecnología de fabricación y funcionamiento:
Transistores de tipo bipolar(llamados comúnmente BJT, del inglés “Bipolar Junction Transistor”) Estos incluyen a los Transistores bipolares de compuerta aislada o IGBT, utilizados en electrónica de potencia, que son muy parecidos a los MOSFET en su estructura, pero se asemejan más a los bipolares en su forma de operar.
Están formados por una capa de materia tipo P entre dos de tipo N, o una capa de material tipo N entre dos de tipo P. En el primer caso se trata de un transistor NPN y en el segundo caso se trata de un transistor PNP. La capa central se denomina base, y los extremos emisor y colector.
Los transistores BJT disponen de tres patillas físicas y cada una tiene un nombre específico: “Emisor”, “Base” y “Colector”.
Debido a como se alternan las capas P y N en un transistor siempre existen dos uniones PN, una entre el emisor y la base, y otra entre el colector y la base. Esta uniones se debe polarizar la unión Emisor-Base (EB) directamente y la Colector-Base (CB) inversamente. En este caso, la polarización de la unión EB se da gracias al voltaje en la resistencia de base RB, y la Unión CB la da el voltaje de VCC. En el caso del transistor NPN la base se conecta al positivo y en el caso del transistor PNP al negativo.
Polarización y Funcionamiento
Como resultado de esta polarización se producen en un transistor tres corrientes: la corriente de base IB, la corriente de Emisor IE y la corriente de colector IC.
Debido a que la unión EB está polarizada directamente, una parte de los electrones del emisor (del 1% a 5%) se combina con los pocos huecos disponibles en la base y esto origina una pequeña corriente de base, los electrones restantes (del 95% al 99%) son atraídos hacia el colector por una fuerte tensión inversa de polarización Vcc de la unión CB, que tras atravesar el colector se dirigen al polo positivo de la fuente de alimentación Vcc, creando así una gran corriente de colector.
Las corriente de Colector y Base están relacionadas con la corriente del emisor:
IC = β · IB
Donde
IC es la Intensidad del Colector,
β es la ganancia
IB es la Intensidad de base.
Es decir, si la corriente de base aumenta, aumenta la corriente de colector y si la corriente de base disminuye, disminuye la corriente de colector, es decir una corriente de base pequeña puede controlar una corriente alta de colector, La “Base” hace de “terminal de control” y el “Colector” y el “Emisor” son los “terminales de salida”,y es por este comportamiento que el transistor se han utilizado como interruptores o amplificadores.
La capacidad de amplificación de un transistor se mide observando el efecto de la corriente de base IB sobre la corriente de colector IC para un determinado voltaje VCE, la relación entre ambas cantidades se denomina "Ganancia de Corriente" o "Beta" y se representa mediante los símbolos β o hFE
β o hFE = IC / IB
Características eléctricas y físicas de los transistores bipolares
Voltaje colector-emisor (VCE)Es el voltaje máximo que se puede aplicar entre el colector y el emisor con la base desconectada sin que el transistor se destruya.
Voltaje colector base (VCB)
Es el voltaje máximo que se puede aplicar entre el colector y la base con el emisor desconectado sin que el transistor se destruya.
Corriente de colector (IC)
Es la corriente máxima en amperios que puede circular por el colector del transistor sin que este se destruya
Potencia disipada (PD)
Potencia máxima que puede manejar el transistor. Según esto tenemos transistores de Baja potencia, Potencia media y Alta potencia.
Ganancia de corriente (hFE) o Beta (β)
Es el número de veces que se amplifica la corriente de base.
Frecuencia de trabajo o de Corte (fT)
Es la frecuencia máxima de la señal con la cual puede trabajar el transistor como amplificador. Según esto tenemos transistores de baja frecuencia (audio), frecuencias intermedias y altas frecuencias o RadioFrecuencias RF utilizados en Radio y Televisión
Encapsulado
Es la forma material y tamaño de empaque físico exterior. Hay varios tipos de encapsulado. Los de potencia, vienen preparados para se unidos mediante un tornillo de métrica 3 o 5 a un disipador de calor, en la imagen de la derecha tenemos los encapsulados más comunes.
Estas características son los valores máximos de trabajo para los transistores, pero lo recomendable es poner a trabajar el transistor entre el 50% y el 75% de estos valores máximos, para evitar su destrucción o avería.
Estos voltaje, corriente, potencia y frecuencia de trabajo, los determinan los circuitos, los componentes externos y las señales aplicadas.
Identificación de los transistores
Los transistores se identifican con referencias que se imprimen sobre el encapsulado, formadas por letras y números de acuerdo a tres sistemas principales:
Americano
Asigna el numero 2 que indica que se trata de un transistor, la letra N que indica un semiconductor y luego un número de serie entre 100 y 9999 que indica el modelo, y en ocasiones una letra que indica la ganancia, A baja, B media y C alta ganancia. Ejemplos 2N2222A, 2N3904, etc...
Europeo
Utiliza primero las letra A o B para indicar si es Germanio o Silicio respectivamente, luego otra letra según la potencia (C, D, F, L o U), en algunos caso una tercera letra según sus usos un número de serie entre el 100 y el 9999 que indica el modelo. Ejemplos BC108, BF239, BFY51, etc...
Japones
Asigna el numero 2 que indica que se trata de un transistor, la letra S que indica un semiconductor, luego una letra según el tipo y frecuencia de trabajo (A, B, C o D) y luego un número de serie entre 100 y 9999 que indica el modelo, y en ocasiones una letra que indica la ganancia, A baja, B media y C alta ganancia. Ejemplos 2SA1187, 2SB646, etc... Muchos fabricantes no utilizan el 2S y podemos encontrar transistores como A1187, B646, etc...
Además de estos, algunos fabricantes utilizan un sistema propio, para hacer énfasis en su propia marca como es el caso de Motorola, con los prefijos MJ, MJE, MPS y MRF, seguidos de varios números como el MJE1002, etc, o el caso de Texas Instrument que tiene un sistema utilizando las letras TIP, TIPL o TIPS, como por ejemplo el TIP31, TIP32 etc...
Otras empresas fabricantes marcan sus productos con referencias propias, solicitadas por los fabricantes de los equipos en donde estos se utilizan, con el fin de ordenar sus sistemas de producción o evitar la copia de sus productos
Como comprobar un transistor con un polímetro digital
midiendo la unión colector-base y emisor-base, si es NPN se pone la punta roja en la base y si es PNP la punta negra y tiene que dar como resultado 0.7Ω aproximadamente, si da 0 esta cortocircuitado y si da 0.L es que esta abierto.
También se debe medir entre el emisor y el colector, poniendo las puntas en ambos sentidos y tiene que da 0.L
Los transistores se suelen utilizar como amplificadores de corriente, ya que con una pequeña corriente recibida a través de su terminal de control permiten la circulación de una intensidad muy grande (proporcional a aquella, hasta un máximo) entre sus dos terminales de salida.
Otro uso muy frecuente es el de ser conmutadores de corriente, ya que si su terminal de control no recibe ninguna intensidad de corriente, por entre los dos terminales de salida no fluye ninguna corriente tampoco.
Transistores de tipo efecto de campo(Llamados comúnmente FET, del inglés “Field Effect Transistor”). Estos incluyen los JFET y los MOSFET
Por su lado, los transistores FET cumplen la misma función que los BJT (amplificador o conmutador de la corriente, entre otras), pero sus tres terminales se denominan (en vez de Base, Emisor y Colector): Puerta (identificado como “G”, del inglés “Gate”), Surtidor (S) y Drenador (D). El terminal G sería el “equivalente” a la Base en los BJT, pero la diferencia está en que el terminal G no absorbe corriente en absoluto (frente a los BJT donde la corriente atraviesa la Base pese a ser pequeña en comparación con la que circula por los otros terminales).
El terminal G más bien actúa como un interruptor controlado por tensión, ya que (y aquí está la clave del funcionamiento de este tipo de transistores) será el voltaje existente entre G y S lo que permita que fluya o no corriente entre S y D
Así como los transistores BJT se dividen en NPN y PNP, los de efecto de campo (FET) son también de dos tipos: los de “canal n” y los de “canal p”, dependiendo de si la aplicación de una tensión positiva en la puerta pone al transistor en estado de conducción o no conducción, respectivamente.
Por otro lado, los transistores FET también se pueden clasificar a su vez dependiendo de su estructura y composición interna. Así tenemos los transistores
JFET (Junction FET), los MOS-FET (Metal-Oxide-Semiconductor FET) o MIS-FET (Metal-Insulator-Semiconductor FET), entre otros. Cada uno de estos tipos tiene diferentes características específicas que los harán más o menos interesantes dependiendo de las necesidades del circuito, y cada uno tiene un símbolo esquemático diferente. En general, los transistores FET se suelen utilizar más que los BJT en circuitos que consumen gran cantidad de potencia.
Transistores tipo JFET
Se fabrican en un semiconductor de base N o P llamado sustrato, dentro del cual se pone una regio de polaridad opuesta en forma de U llamada canal, ligeramente dopada. El sustrato actúa como puerta o Gate (G) uno de los extremos del canal es fuente o Source (S) y el otro extremo de la U es Drenador o Drain (D), por tanto entre la compuerta y el canal se forma la unión PN.
De acuerdo a esto tenemos JFET de canal P y JFET de canal N
Polarización y funcionamiento
Los JFET, necesitan ser polarizados mediante dos tensiones externas. La tensión VDD dirige el paso de la corriente por el canal y la tensión VGS regula su cantidad, esta última se debe polarizar inversamente la unió PN entre el canal y el sustrato. Un JFET de Canal N fuente debe ser positiva RESPECTO de la puerta y Negativa respecto del Drenador. Con lo cual resumiendo:
Canal N G al negativo, D al positivo y S al negativo
Canal P G al Positivo, D al negativo y S al positivo
El efecto de esto es la creación de una corriente de Drenaje (ID) entre el drenador D y la fuente S, la cual circula a lo largo del canal y depende de la tensión VGS De modo que actúa como una resistencia variable.
En el caso de un JFET Canal N al aumentar el voltaje se estrecha el canal y pasan menos electrones (ID) y al Disminuir el voltaje se ensancha el canal y pasan más electrones (ID)De este modo, la tensión VGS varía la resistencia del canal y controla o modula el paso de la corriente ID . En ambos caso la corriente IG que pasa por la puerta insignificante, lo cual indica la resistencia de entrada de un FET es extremadamente alta.
La capacidad de amplificación de un JFET se mide observando el efecto de la tensión VGS sobre la ID para un determinado valor de VGD. La relación se incremental entre ambas cantidades se denomina "Transconductancia" y se designa por el símbolo gm o gfs:
gm = ΔID / ΔVGS
Transistores tipo MOSFET
(Metal Oxide Semicondutor Field Effect Transistor) es un transistor de efecto de campo como el JFET, pero la compuerta está aislada del canal mediante una fina capa de dióxido de silicio (SiO2), la cual le confiere unas características muy especiales como una impedancia de entrada muy alta.
También hay MOSFET canal N y canal P
Los circuitos con MOSFET, son altamente inmunes al ruido, consumen muy poca potencia y son muy flexibles.
Hay dos tipos de MOSFET, los de empobrecimiento (Depletion MOSFET) y los de enriquecimiento (Enhancement MOSFET)
En un MOSFET, el canal se forma dentro del sustrato, pero el sustrato está conectado eléctricamente a la fuente y no a la compuerta, aunque la compuerta y el canal ya no forman una unión PN, la compuerta sigue siendo el tercer terminal que controla la conductividad del canal.
El voltaje VGS puede ser positivo o negativo y controla la corriente del canal, en un MOSFET de canal n si el drenador es positivo con respecto a la fuente y el voltaje VGS es 0, pasa la corriente a través del canal, y se dice que está operando en modo enriquecimiento. Cuando el voltaje se hace negativo, aumenta la resistencia y no pasa corriente a través de canal, y se dice que está modo empobrecimiento.
Características eléctricas y físicas de los transistores FET
Voltaje Gate-Source (VGS)
Es el voltaje máximo que se puede aplicar entre la puerta y el surtidor sin que el transistor se destruya.
Voltaje de ruptura Gate-Source (BVGSS)
Es el voltaje máximo que se puede aplicar entre el colector y la base con el emisor desconectado sin que el transistor se destruya.
Corriente de Drenaje Inversa (IDSS) con VGS = 0
Es la corriente inversa máxima en amperios que puede circular del drenador al surtidor sin que este se destruya
Corriente de Drenaje (ID) con VGS <> 0
Es la corriente máxima en amperios que puede circular del drenador al surtidor sin que este se destruya
Potencia disipada (PD)
Potencia máxima que puede manejar el transistor FET. Según esto tenemos transistores de Baja potencia, Potencia media y Alta potencia.
Transconductancia (grm o gfs)
Es el número de veces que se amplifica la corriente de drenador en función a la tensión VGS Gsdfas
Un transistor FET de uso muy común es el 2N3819 he aquí sus características
Identificación de los Transistores FET
Los FET (JFET y MOSFET) se identifican igual que los transistores bipolares por medio de una referencia, que se imprimen sobre el encapsulado, formadas por letras y números de acuerdo a tres sistemas principales:
Americano
Asigna el numero 2 que indica que se trata de un transistor, la letra N que indica un semiconductor y luego un número de serie entre 100 y 9999 que indica el modelo, y en ocasiones una letra que indica la ganancia, A baja, B media y C alta ganancia. Ejemplos 2N2222A, 2N3904, etc...
Europeo
Utiliza primero las letra A o B para indicar si es Germanio o Silicio respectivamente, luego otra letra según la potencia (C, D, F, L o U), en algunos caso una tercera letra según sus usos un número de serie entre el 100 y el 9999 que indica el modelo. Ejemplos BC108, BF239, BFY51, etc...
Japones
Asigna el numero 2 que indica que se trata de un transistor, la letra S que indica un semiconductor, luego una letra según el tipo y frecuencia de trabajo (A, B, C o D) y luego un número de serie entre 100 y 9999 que indica el modelo, y en ocasiones una letra que indica la ganancia, A baja, B media y C alta ganancia. Ejemplos 2SA1187, 2SB646, etc... Muchos fabricantes no utilizan el 2S y podemos encontrar transistores como A1187, B646, etc...
Además de estos, algunos fabricantes utilizan un sistema propio, para hacer énfasis en su propia marca como es el caso de Motorola, con los prefijos MJ, MJE, MPS y MRF, seguidos de varios números como el MJE1002, etc, o el caso de Texas Instrument que tiene un sistema utilizando las letras TIP, TIPL o TIPS, como por ejemplo el TIP31, TIP32 etc...
Otras empresas fabricantes marcan sus productos con referencias propias, solicitadas por los fabricantes de los equipos en donde estos se utilizan, con el fin de ordenar sus sistemas de producción o evitar la copia de sus productos.
Transistores tipo UJT
(Unijuctión Transistor) Estos transistores llamados monojuntura o unijuntura, tienen solo una unión PN. El material N tiene una conexión no rectificadora en cada uno de sus extremos que se llaman Base 1 (B1) y Base 2 (B2). El tercer terminal está en la propia juntura rectificadora situada en el punto intermedio del material N, y recibe el nombre de Emisor(E).Dependiendo del material hay UJT tipo N y UJT tipo P, pero los más utilizados son los de tipo N, y el más conocido es el 2N2646
Funcionamiento
Los UJT, tiene un cuerpo principal con una resistencia determinada entre 4K y 12K, llamada RBB y el emisor que forma la unión PN está conectado en un punto intermedio de esta resistencia.
Una parte del voltaje aplicado a la base2, aparece entre la juntura PN y la base1, este voltaje es el parámetro más importante y se le ha llamado "Relación Intrínseca" y su valor típico se puede encontrar entre 0,45 y 0,80
El comportamiento de un UJT es similar al de un Diodo Zener, pero se le puede variar el voltaje de avalancha o regulado con solo modificar las condiciones eléctricas en el terminal base 2.El efecto Zener se presenta normalmente entre los terminales del Emisor y de Base1 a través de los cuales se establece un paso de corriente cuando la tensión entre estos puntos alcanza el efecto avalancha.
Su principal uso es como generador de pulsos. La carga del condensador a través de la resistencia y su descarga a través de la unión PN del UJT y la resistencia E-B1, se utiliza para generar impulsos de corriente a intervalos regulares y normalmente ajustables, lo cual lo convierte en un circuito muy sencillo y apropiado para el disparo de tiristores, como oscilador o como temporizador.
Transistores tipo IGBT
(Isolated Gate Bipolar Transistor) El transistor bipolar de puerta aislada, es una combinación de un transistor bipolar y un transistor de efecto de campo FET, ya que en la entrada se porta como un FET de puerta aislada y en la salida como un bipolar de potencia.
Son ideales para interruptores de potencia, reemplazando a MOSFET de potencia, tiristores, relés, etc.
Los IGBT son similares a su estructura física a los MOSFET de potencia, pero funcionando se asemejan más a los transistores bipolares.
Dependiendo de su polaridad existen :
IGBT NPN
Son equivalente a un transistor PNP con un MOSFET canal N conectado a su base.
IGBT PNP
Son equivalente a un transistor NPN con un MOSFET canal P conectado a su base.
La mayor parte de los IBGT disponibles en el mercado son del tipo NPN o también llamados Canal N.
Los IGBT se clasifican de acuerdo a su velocidad en: Lentos, Rápidos y Ultra-Rápidos, cada uno optimizado para operar en una gama específica de frecuencias. Los lentos pueden operar en corriente continua DC y en corriente alterna AC hasta aproximadamente 1KHz. Los otros dos operan en Alterna y en frecuencias superiores.
Se caracterizan por su baja caída de tensión en estado de saturación.
Se utilizan en sistemas de potencia ininterrumpida UPS, circuitos de control de motores, estabilizadores de tensión y otros práctica a nivel de frecuencia de línea.
Funcionamiento
En condiciones normales, con una tensión de puerta-emisor VGE=0, hay entre el colector y el emisor una corriente de fuga muy débil y el IGBT está Bloqueado.
A medida que sube la tensión positiva entre puerta y emisor VGE, llega un momento en el cual se supera un valor umbral (VGE(th) y el dispositivo entra en conducción y permite el paso de una corriente de colecto IC.
A partir de entonces, una pequeña variación ΔVGE de 0,5V provoca una gran variación ΔIC de la corriente del colector, unos 10A.
La relación incremental entre la Tensión puerta emisor VGE y la corriente del colector IC define la transconductancia gfe en siemens (S)
Transconductancia = gfe= ΔIC / ΔVGE
